铰接式履带车预定路径行走控制研究

论文摘要

铰接式履带车作为深海矿产资源采矿系统的关键设备之一,将行走于海底海山上,由于海山地形复杂性和未知性,其在海底采矿行走时极易偏离预定采矿路径,开发铰接式履带车按预定路径行走控制技术对海洋采矿而言具有重要意义。本论文针对铰接式履带车预定路径行走控制问题开展了深入研究。本文建立了铰接式履带车虚拟样机,提出了以速度控制为内环和以方位控制为外环的双环行走控制方案。运用变论域模糊控制理论,设计了用于纠正车体方位偏差的自适用模糊控制器,设计了折返式路径产生模块、速度分配模块和原地转弯模块等,完成了铰接式履带车按预定路径行走机械-控制系统协同仿真模型建立。开展了铰接式履带车在越单边障碍、跟踪直线行走和按开采路径行走等工况下按预定路径行走仿真,仿真结果表明,铰接式履带车在遇到外界干扰而偏离预定路径时能快速修正偏差而按预定路径行走,路径模块能够根据设定值产生预定路径,表明所建立的按预定路径控制模型和算法是有效的。利用LabVIEW软件平台,以铰接式履带车按预定路径行走仿真控制模型为基础,开发了铰接式履带车自动行走控制系统软件,达到了铰接式履带车按预定路径行走的目的,同时,开发了车体监控界面软件,实现了铰接式履带车状态实时监控。开展了铰接式履带车沙地直线行走、雪地越单边障碍直线行走等实验,实验结果表明,铰接式履带车在外界干扰情况下可按预定路径行走,表明所开发的按预定路径行走控制系统是行之有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 课题来源
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外海底采矿车研究现状
• 1.3.2 国内深海采矿车研究现状
• 1.3.3 陆地铰接式履带车的研究现状
• 1.3.4 预定路径行走控制研究现状
• 1.3.5 海底采矿车控制系统研究现状
• 1.4 研究方法
• 1.4.1 虚拟仪器技术
• 1.4.2 虚拟样机及多学科协同仿真技术及其在深海采矿领域的应用
• 1.5 研究意义及目的
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 铰接式履带车行走控制方案设计
• 2.1 总体技术指标
• 2.2 车体行走方案
• 2.3 行走控制系统方案设计
• 2.3.1 行走控制系统技术要求
• 2.3.2 行走控制总体方案设计
• 2.3.3 按预定路径行走控制系统方案设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 铰接式履带车按预定路径行走仿真控制系统建模
• 3.1 按预定路径行走仿真控制系统建模
• 3.1.1 铰接式履带车运动学模型
• 3.1.2 按预定路径行走仿真控制系统模型
• 3.2 基于变论域理论的自适应模糊控制器设计
• 3.2.1 变论域模糊控制理论
• 3.2.2 变论域模糊控制器结构
• 3.2.3 模糊控制器Ⅰ设计
• 3.2.4 模糊控制器Ⅱ设计
• 3.3 速度分配模块
• 3.4 PID控制模块
• 3.4.1 PID速度控制算法
• 3.4.2 铰接式履带车PID速度控制结果
• 3.5 惯性环节
• 3.6 路径模块
• 3.7 纠偏模式选择模块
• 3.8 原地转向模块
• 3.9 本章小结
• 第四章 铰接式履带车机械-控制系统协同仿真
• 4.1 多系统协同仿真原理
• 4.2 机械-控制系统仿真模型
• 4.3 铰接式履带车按预定路径行走仿真与分析
• 4.3.1 跨越单边障碍仿真
• 4.3.2 跟踪直线行走仿真
• 4.3.3 按折返式预定路径行走仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 铰接式履带车自动行走控制软件开发
• 5.1 LabVIEW编程环境简介
• 5.2 铰接式履带车自动控制系统总体结构
• 5.3 底层FPGA程序开发
• 5.4 数据通信子程序开发
• 5.5 手柄控制子程序开发
• 5.6 按预定路径行走控制程序开发
• 5.6.1 实时位置计算子程序
• 5.6.2 路径子程序
• 5.6.3 路径纠偏子程序
• 5.6.4 PID控制模块
• 5.7 数据保存与监控界面程序开发
• 5.8 本章小结
• 第六章 行走实验研究
• 6.1 实验目的及主要实验内容
• 6.2 实验设备
• 6.3 PID参数的再整定
• 6.4 沙地直线行走实验
• 6.4.1 实验目的
• 6.4.2 实验场地
• 6.4.3 实验工具
• 6.4.4 实验内容
• 6.4.5 实验结果及分析
• 6.5 雪地跨单边障碍实验
• 6.5.1 实验目的
• 6.5.2 实验条件
• 6.5.3 实验工具
• 6.5.4 实验内容
• 6.5.5 实验结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果